Raucharme Verstärkerstute
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rauscharme Verstärkerstufe mit parallelgeschalteten aktiven Verstärkerelementen.
Zur Anpassung der Eingangsimpedanz von Transistorverstärkerstufen an vorangehende Schaltkreise wurden in bekannten Schaltungen zwei oder mehrere Transistoren parallelgeschaltet. Es wurde damit entweder eine optimale Leistung - oder eine optimale Rauschanpassung angestrebt, wobei letztere diejenige Anpassung bedeutet, bei der die kleinste Rauschzahl erreicht wird. Bei den bekannten Schaltungen wurden keine Feldeffekttransistoren verwendet. Die durch die Parallelschaltung erreichte Verbesserung der Rauschzahl ist ausschliesslich auf die Optirnalisierung der Rauschanpassung zurückzuführen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Verstärkerstufe, die gegenüber den bisher bekannten Schaltungen eine kleinere Rauschzahl aufweist.
Die erfindungsgemässe Verstärkerstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei parallelgeschaltete Feldeffekt-Transistoren vorgesehen sind.
Durch das Parallelschalten einer Anzahl n gleicher aktiver Verstärkerelemente erhöhte sich deren Stromverstärkung und an einer gemeinsamen Lastimpedanz Z somit die Spannungsverstärkung gegenüber einem einzelnen Element auf den n-fachen Wert. Ein Nutzsignal wird daher in einer solchen Verstärkerstufe auf den n v-fachen Wert verstärkt.
Im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen erhöht sich bei der erfindungsgemässen Verstärkerstufe die Rauschspannung durch das Parallelschalten von n Verstärkerelementen nicht ebenfalls um diesen Faktor n, sondern um einen kleineren Wert. Dieser Effekt kommt folgendermassen zustande: Bei parallelgeschalteten Verstärkerelementen, welche vom Ausgang zum Eingang praktisch keine Rückwirkung zeigen, sind die Rauschspannungen nicht kohärent. Diese Rausehspannungen UNI, UN2 bis UNn addieren sich daher nicht direkt, sondern werden auf folgende Weise zusammengesetzt:
EMI1.1
UN <SEP> total <SEP> = <SEP> lUNI1+CN,'fbiEUNn'
<tb>
Bei der Annahme, dass die Rauschspannungen der einzelnen Verstärkerelemente ungefähr gleich gross sind, ergibt sich ein Xn-facher Wert.
Die Rauschleistung nimmt also bei der Parallelschaltung mehrerer Verstärkerelemente nicht im selben Masse zu wie die Nutzleistung, so dass eine Verbesserung der Rauschzahl erzielt wird.
Wie aus obigem hervorgeht, kann eine Verbesserung der Rauschzahl nur zustande kommen, sofern die Rauschspannungen an den Verstärkerelementen nicht kohärent sind, d. h. dass vom Ausgang zum Eingang der Verstärkerstufe keine Rückwirkung bestehen darf. Diese Forderung ist insbesondere bei MOS-Feldeffekt-Transistoren erfüllt. Da bei diesen Transistoren das Eigenrauschen zur Hauptsache in der Quelle-Senkstrecke entsteht und eine sehr kleine Rückwirkung auf die Steuerelektroden besteht, weisen die Rauschspannungen parallelgeschalteter MOS-Feldeffekt-Transistoren nur eine schwache Kohärenz auf. Diese Transistoren sind daher für die erfindungsgemässe Verstärkerstufe speziell geeignet.
Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine rauscharme Verstärkerstufe. In Fig. 2 sind die Rauschspannungen am Eingang und am Ausgang der Verstärkerstufe dargestellt.
In der in Fig. 1 dargestellten Verstärkerstufe sind zwei parallelgeschaltete Feldeffekt-Transistoren 1 und 2 vorhanden. Die Quelleanschlüsse Q1, Q2 der beiden Transistoren 1, 2 sind über je einen Widerstand 3, 4 an einer Speisequelle -UB angeschlossen und sind mittels je eines Kondensators 7, 8 wechselstrommässig an Erde gelegt. Die in den Transistoren 1, 2 erzeugten Rauschspannungen UN1, UN2 sind als Rauschquellen in den Quellenzuführungen angedeutet. Je eine Steuerelektrode Kl, K2 ist zur Einstellung des Arbeitspunktes der Transistoren 1, 2 über einen einstellbaren Spannungsteiler 5 an eine Spannungsquelle -UB gelegt Diese Steuerelektroden Kl, K2 sind über einen Kondensator 6 gegen Erde abgeblockt.
Die zusammengeschalteten zweiten Steuerelektroden Gi, G2 stellen den Eingang und die zusammengeschalteten Senkeanschlüsse stellen den Ausgang der Verstärkerstufe dar. An den Ausgangsklemmen ist eine Lastimpedanz Z angeschlossen.
In Fig. 2a ist die Grösse der Eingangsnutzspannung Ue und der Eingangsrauschspannung USe aufgezeichnet. Die Fig. 2b zeigt die Verhältnisse am Ausgang der Verstärkerstufe für den Fall, dass nur ein Feldeffekttransistor 1 mit einer Spannungsverstärkung von v = 3 vorhanden ist. Die verstärkte Nutzspannung ist mit Ua, die verstärkte Rauschspannung ist mit USa und die in der Verstärkerstufe erzeugte Rauschspannung ist mit UNI bezeichnet.
In Fig. 2c sind die Verhältnisse am Ausgang der Verstärkerstufe bei der Parallelschaltung zweier Feldeffekt-Transistoren dargestellt. Die Nutzspannung und die am Eingang bereits vorhandene Rauschspannung sind gegenüber der Verstärkerstufe mit nur einem Feldeffekt-Transistor auf den 2fachen Wert angestiegen. Die in der Verstärkerstufe erzeugte Rauschspannung ist dagegen nur um den 72fachen Wert grösser geworden.
Die Rauschzahl Fb für das in Fig. 2b dargestellte Zahlen- beispiel mit nur einem Feldeffekt-Transistor beträgt:
Fb = Pe/PSe Ue2iUSe2
Pai(PSa + PNI) UaV(USa2 + UN2) 22wo,52 = 2,78 621(1,52 + 22)
Die verbesserte Rauschzahl Fc für das in Fig. 2c dargestellte Zahlenbeispiel mit zwei parallelgeschalteten Feldeffekt-Transistoren beträgt:
Fc = 2210,52
1221(32 + 2,832) = 1,89
Zur weiteren Verbesserung der Rauschzahl der Verstärkerstufe können, wie in Fig. 1 angedeutet, weitere Feldeffekt-Transistoren parallelgeschaltet werden.
Low-smoke amplifier mare
The present invention relates to a low-noise amplifier stage with active amplifier elements connected in parallel.
To adapt the input impedance of transistor amplifier stages to preceding circuits, two or more transistors were connected in parallel in known circuits. Either an optimal performance or an optimal noise adaptation was thus aimed for, the latter meaning that adaptation in which the lowest noise figure is achieved. No field effect transistors were used in the known circuits. The improvement in the noise figure achieved by the parallel connection is exclusively due to the optimization of the noise adaptation.
The purpose of the present invention is to provide an amplifier stage which has a lower noise figure than the previously known circuits.
The amplifier stage according to the invention is characterized in that at least two field effect transistors connected in parallel are provided.
By connecting a number n of the same active amplifier elements in parallel, their current gain increased and, at a common load impedance Z, the voltage gain compared to an individual element increased to n times the value. A useful signal is therefore amplified to n v times the value in such an amplifier stage.
In contrast to the known circuits, in the amplifier stage according to the invention, the parallel connection of n amplifier elements does not also increase the noise voltage by this factor n, but by a smaller value. This effect comes about as follows: With amplifier elements connected in parallel, which show practically no feedback from the output to the input, the noise voltages are not coherent. These residual voltages UNI, UN2 to UNn therefore do not add up directly, but are put together in the following way:
EMI1.1
UN <SEP> total <SEP> = <SEP> lUNI1 + CN, 'fbiEUNn'
<tb>
Assuming that the noise voltages of the individual amplifier elements are approximately the same, the result is an Xn-fold value.
When several amplifier elements are connected in parallel, the noise power does not increase to the same extent as the useful power, so that an improvement in the noise figure is achieved.
As can be seen from the above, an improvement in the noise figure can only come about if the noise voltages at the amplifier elements are not coherent; H. that there must be no retroactive effect from the output to the input of the amplifier stage. This requirement is met in particular with MOS field effect transistors. Since with these transistors the inherent noise mainly arises in the source-sink path and there is very little reaction on the control electrodes, the noise voltages of parallel-connected MOS field effect transistors show only a weak coherence. These transistors are therefore especially suitable for the amplifier stage according to the invention.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Fig. 1 shows a low-noise amplifier stage. In Fig. 2, the noise voltages are shown at the input and output of the amplifier stage.
In the amplifier stage shown in FIG. 1, two field effect transistors 1 and 2 connected in parallel are present. The source connections Q1, Q2 of the two transistors 1, 2 are each connected to a supply source -UB via a resistor 3, 4 and are connected to earth by means of a capacitor 7, 8 each. The noise voltages UN1, UN2 generated in the transistors 1, 2 are indicated as noise sources in the source feeds. In order to set the operating point of the transistors 1, 2, one control electrode each is connected to a voltage source -UB via an adjustable voltage divider 5. These control electrodes Kl, K2 are blocked from ground via a capacitor 6.
The interconnected second control electrodes Gi, G2 represent the input and the interconnected sink connections represent the output of the amplifier stage. A load impedance Z is connected to the output terminals.
The magnitude of the useful input voltage Ue and the input noise voltage USe are plotted in FIG. 2a. 2b shows the relationships at the output of the amplifier stage for the case that only one field effect transistor 1 with a voltage gain of v = 3 is present. The amplified useful voltage is designated Ua, the amplified noise voltage is designated USa and the noise voltage generated in the amplifier stage is designated UNI.
In Fig. 2c the conditions at the output of the amplifier stage are shown in the parallel connection of two field effect transistors. The useful voltage and the noise voltage already present at the input have risen to twice the value compared to the amplifier stage with only one field effect transistor. In contrast, the noise voltage generated in the amplifier stage has only increased by 72 times the value.
The noise figure Fb for the numerical example shown in Fig. 2b with only one field effect transistor is:
Fb = Pe / PSe Ue2iUSe2
Pai (PSa + PNI) UaV (USa2 + UN2) 22wo, 52 = 2.78 621 (1.52 + 22)
The improved noise figure Fc for the numerical example shown in Fig. 2c with two field effect transistors connected in parallel is:
Fc = 2210.52
1221 (32 + 2.832) = 1.89
To further improve the noise figure of the amplifier stage, as indicated in FIG. 1, further field effect transistors can be connected in parallel.